电极设计基础知识资料

第一章电极设计部分

自放电加工在工业生产中应用以来﹐首先获得大量使用的就是模具制造行业。近来﹐随着模具要求的提高﹐模具材料愈来愈多地使用超硬合金﹐放电加工得到了更为广泛的应用。其中﹐放电加工又分为雕形放电加工及线切割放电加工。本书主要介绍雕形放电加工的有关内容。

第一节放电加工原理及其工艺特点及规律放电加工是基于电火花腐蚀原理而工作的。如图所示﹐电源提供的电流通过R给电容C充电。随着由充电的进行,电容上的电压逐渐升高至一固定的电压﹐我们称该电压其为空载电压。同时﹐伺服马达驱

动着电极逐渐接近工件﹐电极与工件的电压将

在二极面”相对最靠近点”使电介液电离击穿而

形成火花放电﹐并在火花通道上瞬时产生大量

热能﹐使金属局部熔化﹐甚至气化蒸发﹐而将

工件蚀除下来。在放电后﹐随着电容C上的电压

的降低﹐电介质的绝缘性又会恢复﹐从而阻断电流。

电火花加工时﹐电极与工件间通过放电而使二者都被蚀除﹐蚀除物有固相(碳渣)和气相的﹐并且伴有声波(电磁波)的幅射。在加工中

﹐工具电极的蚀除我们称为电极消耗。另外﹐放电后电极表面往往覆有涂层(特别在消耗小的时候)﹐工件的被加工面则会产生与原材料性能不同的变质层﹐对后加工有一定影响。

t

时间t V

A

电火花放电电压与电流的波形如上图所示﹐其放电电压一般在25~45伏之间﹐其大小与电极与工件材料的性质﹑工作液﹑脉冲电流等因素均有关系。

正常放电过程一般认为是”充电------介质电离------放电-----放电结束-----介质绝缘恢复”的重复过程。

一般:U1>U2>U3>U4

<表1-1>

放电加工的产物可分为固相﹑气相和辐射波三部分。它们的产生与放电的强弱有很大的关系。

固相电加工产物的形状﹐产生场合以及对加工的影响见表1-2﹕

气相产物主要为CO﹑CO2﹐其中有一部分是有毒气体。

<表1-2>

放电加工的工艺特点﹕

放电加工时﹐工件材料的去除不是靠刀具的机械刀﹐加工时无机械切削力的作用﹐因此就没有因为切削力而产生的一系列设备﹑工艺问题。也不会产生由于切削刀而引起的弹性变形。有利于加工薄壁结构﹑蜂窝结构﹑小孔﹑窄槽和微细的型孔和型腔。

放电加工的电流密度很高﹐产生的高温足以熔化和气化任何导电材料。即使象硬质合金﹑热处理后的钢材及合金等﹐都能加工。

虽然放电加工具有很多优点﹐但也有它的缺点﹕

1.加工需要电极﹐电极的加工占整个加工过程不小的比例。

2加工表面有变质层﹐对后加工及使用均有不利的影响。

3.加工效率偏低。

4.加工精度相对较低。

5.加工工件必须是导电材料。

第二節电极间隙及其几何形状与摇摆的关系从上节放电加工原理中我们知道﹐由于放电时工件与电极之间是通电介质的击穿来进行加工的﹐在空间上有一段距离﹐再加上放电时电火花也有一定的作用范围。两者综合后的结果是工件加工后的尺寸要比电极的尺寸大一些﹐我们将这大一些的尺寸称为放电间隙。为了保证加工后工件的尺寸﹐我们在电极设计时要特别考虑放电对截面间隙的影响。下面我们要讨论一下﹕(注﹕在这里﹐我们主要讨论2D电极的加工﹐3D电极的设计另有章节专门加工说明)。

一﹑基本几何形状

基本几何基状可分为方形﹑圆形﹑球形﹑倒角﹑倒圆﹑断差﹑斜面等。

a.方形﹕

如图所示﹕电极的截面尺寸可分别计算如下﹕

B1=B-2*d’

L1=L-2*d’

B1﹕电极宽度 B﹕工件图面宽度尺寸 d’﹕放电间隙 L1﹕电极长度 L﹕工件图面长度尺寸

在计算截面尺寸时﹐只要每边均减去一个放电间隙即可﹐这里是全封闭的摇摆方式﹐方形电极在精修时可直接作方形跑位加工即可﹕设d”为精修放电间隙

d1=d’-d”

则精修时可使用如下程序进行跑位加工。

(1).先在x+d1 y+d1处加工.

(2).再在x+d1 y-d1处加工.

(3).再在x-d1 y+d1处加工.

(4).最后在x-d1 y+d1处加工.

在具有摇摆功能的放电加工机来说﹐则可以使用对应的方形摇摆功能。如Sodisk机台﹐可设定为 LN001 STEP d1。

b.圆形﹕

如图所示电极的截面尺寸可计算如下﹕

D1=D-2*d’

D1﹕电极直径 D﹕工件图面直径 d’﹕放电间隙

摇摆方式﹕

(1).可使用圆形轨迹指令G02﹑G03使电极作圆轨迹加工。

(2).使用相应机台的圆形摇摆模式。

c.球形﹕

如图所示﹕电极的截面尺寸可计算如下﹕

SR 1=SR-d ’

SR 1﹕电极尺寸 SR ﹕工件图面尺寸 d ’﹕放电间隙

摇摆方式﹕

(1).对于有球形摇摆的机台来说﹐可使用该功能。

(2).使用圆形加工方式(G02 G03)。

(3).使用圆形摇摆方式。

无论在使用圆形摇摆方式还是圆形加工方式均会造成加工后球面的底部有一小平面。

设d ”为精加工时的间隙

则SR ’=SR 1+d ”

S=(d ’-d ”)*2 SR ’﹕加工后实际球半径 SR 1﹕电极球半径

S ﹕底部平面直径 d ’﹕粗加工放电间隙(电极设计间隙) d ”﹕精加工实际间隙

如果工件底部不充许有平面﹐则需要再设计一精加工电极﹐其尺寸按﹕SR 1=SR-d ”进行设计﹐则可以解决此问题。

d.倒角﹕

如图所示﹐计算如下﹕

A 1=A-(1-tg δ/2)*d ’

B 1=B-(1-tg(90-δ)/2)*d ’

C 1=C-2*d ’

摇摆方式﹕1.采用方形摇摆。

2.采用方形跑位。

但是不论是采用方形摇摆还是直接采用方形跑位加工﹐如果只是采用一种间隙的电极(一般为粗加工时的间隙)均会使得在精加工后的倒角尺寸偏小﹐而造成工件异常。对于这种状况﹐可采取以下两种方法解决﹕

1.采用两种电极加工﹐分别按粗加工时的间隙和精加工时的间隙设

计﹐但会增加制造成本。

2.在设计电极时﹐尺寸C按粗加工间隙设计﹐而对尺寸A﹑B则按

精加工间隙设计﹐计算如下﹕

A1=A-(1-tgδ/2)*d”

B1=B-(1-tg(90-δ)/2)*d”

C1=C-2*d’

d’﹕粗加工放电间隙 d”﹕精加工放电间隙

e.倒圆﹕

如图所示﹐计算如下﹕ R a1=R a+d’

R b1=R b-d’

A1=A-2*d’

d’:粗加工放电间隙

RB1

A

同倒角一样﹐为了避免使用同一电极精修造成工件R 角偏小﹐也可使用倒角的设计方法﹐R 设计为精加工间隙。对于右图﹐在设计成一样间隙时﹐可以采用圆形摇摆加工﹐也能保证尺寸。

f.断差﹕

断差的设计一般等于图面的尺寸﹐即﹕

A 1=A

A 1﹕电极断差尺寸 A ﹕图面断差尺寸

一般来说﹐放电加工时的断差尺寸由电极保证﹐而与放电加工的操作无关。因此﹐在电极设计时﹐对此类尺寸的公差要求要严一些﹐一般均要比工件图面尺寸精度高1~2个级别。

另外﹐对深度方向的断差﹐如右图所示。由于较深的部分在加工时消耗要大一些﹐故在设计时应将尺寸标注为正公差﹐不宜使尺寸偏小。另外﹐对电极修整容易性来说﹐当断差尺寸偏大时﹐只要在较深的面OK 后﹐将电极底部修整掉一部分﹐即可将较浅的面也加工OK 。从这一方面来说﹐电极上断差的尺寸也是宜大不宜小。

g.﹕斜面﹕

‘

A

斜面与倒角有类似之处﹐但斜面呈在尖点﹐在加工时应特别注意到在精加工时﹐如果是用粗电极加工﹐应该先加工尖点的一侧﹐再跑位加工另外一侧﹐这时应该Z 轴抬起一个深度﹕

t=X ’*tg δ

t ﹕Z 轴应减小的深度 X ’﹕X 轴的摇摆量

δ﹕斜面角度

当然﹐采用粗﹑精两种电极的设计方案也是可行的。

二﹑复合形状电极设计﹕

复合形状是一般我们要设计的图形﹐它是基本几何形状组合而成﹐其设计方法与基本几何形状的设计大同小异﹐但由于各种几何形状组合在一起他们之间相互有所制约。因此﹐在设计时应加以注意﹐特别是在只设计一种电极来完成粗﹑精加工的情况下﹐如果没有注意选择合适的设计方法﹐往往会造成加工后尺寸超差或不到位的情况发生﹐下面由一个例子来说明此种情况﹕

例﹕

以上图所示﹐我们由前面的计算方法可得﹕

设电极粗放间隙为d ﹐精修间隙为d ’﹐则在设计两种电极(粗﹑精)分别加工时﹐A ﹑B 的尺寸分别为﹕

粗放电极﹕A 1=A-(1-tg δ

/2)*d

B1=B-2*d E1=E-2*d

精放电极﹕A2=A-(1-tgδ/2)*d”

B2=B-2*d” E2=E-2*d”

在此种情况下﹐可以使工件加工完毕﹐并保证了尺寸。而假设我们只设计一种电极来加工工件﹐由于精修时的间隙是一样的﹐故设计后的电极的A尺寸应等于A2﹐即应按下述尺寸设计﹕

A’=A-(1-tgδ/2)*d” B’=B-2*d’ E’=E-2*d’由上例可见﹕在只设计一种电极来完成粗精加工时﹐特别应注意使与斜面相关联的尺寸保证按精修间隙设计才能保证能使加工后工件尺寸是正确的。粗放条件的间隙较大﹐可以通过单独对直边进行间隙的缩放来达到。当然﹐有些几何形状是无法通过此一种方法来设计的(比如3D电极)﹐此时就只能设计成多种间隙的电极来加工了。

第三节放电间隙的选择

在电极设计的过程中﹐如何选择合适的间隙是首先要考虑的。一般来说﹐放电间隙的大小是取决于放电加工条件的强弱的﹐所选用的条件越强﹐放电间隙就越大。而放电加工条件选择则取决于放电面积的大小。在一般情况下﹐放电面积越大﹐所采用的放电条件也越强﹐这样才能保证有较好的加工效率。但问题是我们如何确定在一定面积下所选的加工条件能保证有较高的加工效率? 是不是所选择的加工条件越强则加工效率就越高呢﹖在回答这个问题之前﹐我们先来看一个图表﹕

加工效率(mm 3/mm) （铜/石墨电极 负极性加工） 上图是一个加工面积﹐加工电流(加工条件)及加工效率的关系图。曲线表明﹕

(1).在相同面积时﹐加工效率并不随加工条件的增加而呈线性增加。

(2).加工面积越大﹐加工电流也充许越大﹐且加工效率也随之增加。

(3).在面积一定的情况﹐存在一个极限电流的大小﹐在加工电流超 过此值后﹐加工效率不仅不升高﹐反而下降。

因此﹐并不是加工条件越强﹐加工效率就越高。据一些技朮文献说明﹐各种材料的电极加工的最大电流密度如下﹕

铜和铜合金 < 5A/CM 2

石墨 < ３A/CM 2

铁合金(包括铸铁) < ２A/CM 2

在我们公司﹐一般按0.1A/mm 2作为极限加工电流密度。因此﹐电极设计时的间隙的确定一般可采用两种方法﹕

一种是由加工时的放电面积计算出IP(峰值电流)﹐一般可参照下式﹕

IP=放电面积* 1A/mm 2（放电面积以mm 2为单位）

然后选择合适的加工方案﹐并确定对应的加工条件﹐再根据条件以条加工电流(A)

件表中查出δ和R max﹐并将δ和R max相加便可作为放电间隙的设计依据。

另外一种是查表法(也叫近似间隙法)﹐该方法使用更为方便。由于放电加工时﹐机台可作一定的摇摆加工﹐可对放电间隙进行一定的补偿﹐故设计时﹐间隙并不需要十分准确。一般来说﹐只要达到与实际间隙的有80%的准确度即可。因此﹐使用此方法在设计时更为实用﹐其方法如下﹕

（1）.由公式﹕

IP=放电面积* 1A/mm2（放电面积以mm2为单位）

计算出IP值

注﹕1.此表仅供参考﹐实际设计时可作适当调整。

2.细小超浅的工位的放电间隙一般为0.01~0.03mm/Side,不

宜参照此表。

第四节电极的材料及其特性

在放电加工中﹐最常用的为紫铜和石墨﹐在加工工位特别细小的情况﹐也用铜钨合金。下面针对上面几种材料作一点介绍﹕

一﹑石墨

放电加工用的石墨要求质细(粒度小),致密﹐颗料均匀﹐气孔率

小﹐灰分少﹐强度高的高纯石墨。

石墨电极极易成型﹐一般均可采用机加工成型﹐有条件时也可采用加压振动成型﹐成型烧结等加工方法。但应注意在加工中防止粉尘对人和机械的伤害﹐一般可采用专用的石墨加工机或在加工前将石墨浸于煤油中﹐及加工时保持良好的通风环境。

石墨电极材料呈片状结晶﹐具有各向异性。因为石墨在加压方向的电极损耗较其他方向大﹐故不能把石墨电极的轴线方向与加压方向一致。

石墨电极放电加工性能较好﹐一般用于大面积加工﹐电极损耗要比紫铜小﹐而且可以在很大的加工电流下依低损耗加工(如IP可>200A)﹐并能保持电极的表面质量不被破坏。

在使用石墨电极加工时﹐一般建议在粗加工时使用IP较大的低消耗条件﹐加工到粗糙度为Ra6.3~3.2﹐再在精加工时﹐采用有消耗条件来精修﹐来保持加工的稳定性。同时﹐石墨电极对排屑条件好坏引起的电极损耗增加不太敏感﹐因此﹐在加工允许的情况下﹐均可采用冲油来改善排屑条件。

综上所述﹐石墨电极适用于加工蚀除量较大的型腔﹐及无精细线条的型腔﹐其粗加工效率可达到很高﹐故可不要求对工件进行预加工。

二﹑紫铜

放电加工中用的紫铜要求使用无杂质的电解铜﹐最好经过锻打﹐而黄铜的损耗太大﹐一般不宜于用型腔的成型加工。

紫铜机加工时﹐研磨较困难﹐易发热﹐且无磁性﹐一般要求在给研磨加工的电极材料仅在头部需放电加工部分使用紫铜﹐而非放电加工部分则焊接铁材﹐以改善研磨加工的成型难度。

紫铜电极的放电加工特性很好﹐特别是加工稳定性﹐是其它电极材料所不及的。但是﹐紫铜电极作粗加工低消耗加工时﹐加工平均电流不能太大(不能大于30A)﹐否则电极损耗也会加大﹐且电极表面会产生龟裂和起皱﹐影响精加工粗糙度。

紫铜电极作低消耗加工的最小面粗度比石墨小﹐如果采用有消耗加工其Ra值可小于0.1~0.2um﹐采用特殊的工艺和电源可达到Ra < 0.025um的镜面加工。

紫铜电极即使在低损耗条件下加工﹐当加工深度比较深时﹐电极表面也会起皱发毛﹐所以在要求加工表面有较好的加工质量时﹐应采用多电极加工的方法。另外﹐紫铜电极还可雕刻为精细的形状。在掌握好的工艺条件下﹐可显示0.01mm以下的条纹。

由于紫铜电极在低消耗条件下的平均加工电流较小﹐加工效率不高﹐故对于较大的工位﹐一般应进行预加工﹐但预加工的形状及余量应合理﹐使加工后不造成缺陷。同时﹐紫铜电极的损耗对排屑条件好坏极为敏感﹐冲油会加大损耗。

综上所述﹐紫铜电极适合形状精细﹑要求较高的中小型型腔。

三﹑铜钨与银钨

铜钨及银钨电极的放电加工性能很好﹐特别是对于细小的电极﹐其成型电极的刚性也好于紫铜电极。所以细微精密型腔的加工﹐用它作电极是比较适宜的。但是因为铜钨及银钨电极在低消耗加工时﹐非常容易积碳﹐加工效率也不高﹐同时﹐它的价格较贵(特别是银钨电

极)﹐故如非必要﹐还是采用铜电极为宜。

第五节电极拆分原则

在实际的电极设计的工作中﹐很多时候的设计方案都不是唯一的。但是并不是每一种方案均有很好的加工效果。事实上﹐好的设计方案不仅能在电极的制造上节约很多成本﹐而且在放电加工时也方便﹑省时﹐对整个加工成本及加工时间的降低有很好的帮助。而差的设计方案﹐不仅浪费电极及工件的加工时间﹐还往往会造成工件的异常。那么﹐怎么评价一个加工方案的好坏呢﹖这是一个仁者见仁﹑智者见智的问题了﹐谁也不能确定哪个方案是最优的﹐再也找不出更好的设计方案来了。但是﹐我们只有考虑到以下几点﹐我们的加工方案才算较为合理。

一﹑加工深度方向尺寸最浅之原则﹕

在电极设计时﹐应保证在电极的放电加工的方向最浅(在可能的情况下)﹐在放电间隙的选择﹐我们提到一个面积效应的问题﹐我们如果设计成放电深度方向最浅时﹐对于同样体积的加工量来说﹐其放电面积也就最大了。因此﹐可以用较大的加工电流来得到很好的加工效率﹐缩短加工时间。另外﹐加工越浅﹐排屑也会越好﹐发生放电异常现象(如积碳)的机会就很少。从这一方面看﹐在设计时也应该保证加工深度最浅。

二﹑开向尺寸延长之原则﹕

在放电设计时﹐由于电极的尖角极易消耗﹐加上放电的间隙﹐因此﹐在角落处就会形成圆角。对于封闭的形状来说﹐这些都是无法避免的。但是﹐在开向尺寸的加工时﹐如果电极设计得刚好和开向形状一样大小﹐则在开向尺寸的外边就会有一部分余料留下﹐如图所示﹕

故在设计时﹐对于开向尺寸应加于延长﹐且如果对一个工位拆成几个工位电极在加工时﹐各电极的加工范围应相互重迭一部分﹐以防止在各电极的交界处出现小筋。

三﹑可重复利用之原则﹕

在电极设计时﹐可能同一工位可以有两种或两种以上的方案可供选择﹐此时﹐可考虑使电极在加工后﹐经简单的修整后即可再次使用﹐如例﹕

对于上图来说﹐采方案A 或方案B ﹐虽然从单个电极的加工成本及单件工件的加工时间来说﹐均无太大差异。但是﹐对于方案A ﹐在电极消耗后只有采用更换电极的方法﹐电极的重新修整困难﹐修整一只电极的时间和新制一个电极的电极的差别不大。而且在多件工件加工时﹐电极的制作更换时间将会很多﹐而如果采用方案B ﹐则在电极消耗后﹐将底面消耗部分割去即可(也可直接洗电极)﹐省时﹐故能得 到很好的效益。

方案

A 方案

B 余料 平直无余料

四﹑电极应易于加工﹕

在电极设计时﹐应注意设计出的电极在现有工艺条件下应能达到。同时﹐除非万不得已﹐不可将电极设计成需要放电工段来加工﹐否则﹐会造成放电加工困难﹐电极制造成本过高等弊病。

五﹑尺寸公差要合理﹕

在尺寸的公差方面﹐应在保证图面要求的情况下﹐尽可能降低对各加工工段的要求﹐用±0.10mm 的公差能满足使用要求﹐就决不要标注成±0.01的尺寸公差﹐否则造成各加工工段将时间花费在无关紧要的部分﹐造成不必要的浪费。

六﹑电极的毛刺应易去除﹕

在各工段的加工中﹐不可避免会产生毛刺﹐其中以铣床﹑磨床的毛刺较大﹐线割的毛刺较少﹐但无论怎样都应该在设计时考虑毛刺的去除方式﹐且在设计时就设计成易于去除的结构﹐举例如下﹕

上图中的凸台形状需要放电进行加工﹐我们可以按方案A ﹑方案B 设计电极。由于此种形状的电极一般采用线割下料加工﹐但线割加工后﹐A 面无正角﹐因此需要磨床加工A 面。在磨床加工后﹐方案A 的电极毛刺内翻﹐不容易去掉﹐而改用方案B 就容易多了。

方案A A 面

方案B A 面

七﹑电极应易于校正﹑对刀﹕

电极加工出来后﹐就可以拿来加工工件了。且慢﹐这个电极的形状这么怪﹐我怎么校正呢(见图A)。碰到这种情况﹐相信现场人员对你都不会有好话说﹐其实﹐只要我们在设计时多考虑一点﹐增加校正面﹑对刀面﹐完全可以解决(见图B) (电极由CNC 加工)。

八﹑电极的种类尽可能少﹕

我们应了解﹐电极只是加工过程中的一个产物﹐我们的最终目的是需要将工件加工完成﹐电极种类越多加工成本也越高。因此﹐电极的数量及种类越少越好(当然最好是没有电极也能将工件加工出来﹐不过﹐真的到了那时﹐我们应该都下岗了)。

九﹑薄电极﹑小齿电极采用铜钨或银钨材料﹕

由于铜钨及银钨材料具有较好的刚性﹐用它们制成的薄小电极刚性较铜材好﹐不易变形﹐对电极的制作工段来说﹐难度也降低了﹐故对于在0.20mm 以下的小齿﹐一般均要采用铜钨材料﹐但是无论铜钨还是银钨材料﹐在加工效率上都比不上铜﹐而且价格昂贵。因此﹐在铜材料的刚性够的情况下﹐还是优先采用铜材料。

十﹑尽量采用EROWA 电极﹕

校正﹑对刀面 图

B 图A

EROWA治具能节省电极的校正时间﹐而且如果是3D电极的设计﹐一般只需最初对刀一次即可﹐可大大提高工作效率。因此﹐应尽量采用EROWA投制电极。但在投制时﹐应让CNC或WE来加工电极﹐避免让磨床加工。

第六节电极数量的选择

在电极设计完成后﹐接下来就应投单加工。这时﹐就应该确定电极应加工的数量。一般情况下﹐我们主要考虑加工工位的形状及工件数量。我们可以按下表进行参考选择。

注意﹕1.上表所列是以红铜为标准。

2.工件数量为1~4件﹐若工件数量较多﹐应适量增数量。

3.若工件形状复杂或工位细少及清角有特别要求﹐应多加投

制或与现场有经验人员协商。

4.若工件经常重复投制﹐可考虑投制一部分备品﹐以便后续

使用也可适当降低成本。但由于现阶段模仁设变频繁﹐故

应慎重考虑。

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